微生物礦化在荒漠化防治的應用研究

李日升

（廣東省建設工程質量安全檢測總站有限公司；廣東省建筑科學研究院集團股份有限公司，廣東 廣州 510500）

0 引言

荒漠化是由于干旱少雨、植被破壞、大風吹蝕、流水侵蝕、土壤鹽漬化等因素造成的大片土壤生產力下降或喪失的自然或非自然現象，是緩變性地質災害之一。根據全國沙漠、戈壁和沙化土地普查及荒漠化調研結果表明，中國荒漠化土地面積為262.2 萬km2，占國土面積的27.4%，近4 億人口受到荒漠化的影響[1]。土地荒漠化主要受人為活動的影響而不斷惡化，在氣候變暖背景下，全球沙漠化防治形勢變得更加嚴峻，亟需重視荒漠化的防治和治理。荒漠化的主要治理方法是退耕還林，植被對防治土壤風蝕具有重要作用，但這種方法在短期內防治效率相對較低，人工成本高，需要尋找一種高效且環保的處理方法，以適用于更大面積的荒漠治理。

目前微生物礦化是巖土工程中的熱門研究方向，它具有反應速率快、能耗低、污染少、對生態友好等優點，對于大面積的沙漠治理具有一定的應用前景。本文主要介紹微生物礦化在沙漠治理的研究及應用現狀，探討其可能的改進方向，為工程師和學者提供一定的參考價值。

1 微生物礦化的原理

微生物礦化是指利用微生物的生化反應生成碳酸鈣沉淀或其他礦物的過程。土壤中的細菌在土顆粒孔隙間控制或誘導礦物產生，將減小土體的孔隙率，增大土顆粒之間的接觸，從而改善土的滲透性和強度、剛度等力學性質。由于砂土的孔隙較大，菌液和膠結溶液能通過滲透作用較均勻的分布在砂土的孔隙中進行微生物礦化作用。已經有不少學者將微生物礦化應用在砂土的加固中[2]，提高了砂土的抗液化強度、抗剪強度，降低了砂土的滲透性等。

目前微生物礦化的應用主要通過生物添加或生物激活兩種方法[3]。生物添加是指將外來細菌加入土中誘導生成礦物沉淀。生物激活是指在土中添加微生物礦化的原料及營養物質，激活土中原有的細菌誘導生成礦物沉淀。

很多微生物都具有誘導碳酸鹽礦物形成的能力，這些微生物按代謝類型來分有好氧型、厭氧型、自養型和異養型，按微生物類型來分有細菌和真菌，其中細菌類型居多，有芽孢桿菌、梭菌和藍細菌等。目前使用最廣泛的微生物礦化機制是利用細菌內的脲酶分解尿素產生碳酸根離子和銨根離子，過程如式（1）所示。

產生的碳酸根離子與環境中的鈣離子產生碳酸鈣晶體沉淀，在不同的條件下，碳酸鈣晶體會以方解石、霰石和球霰石中的一種或多種晶型沉淀，反應過程如式（2）所示。

微生物生成碳酸鈣沉淀的速率與尿素水解的反應速率有較大關聯。影響尿素水解的因素主要有微生物類型、細菌濃度、pH、溫度、尿素濃度和鈣離子濃度等，各影響因素存在最佳的應用范圍。

2 基于尿素水解的微生物礦化在荒漠化防治中應用

為了治理風沙，Gomez 等[4]進行了基于尿素水解機制的微生物礦化技術改善松散砂的現場試驗。他們在現場設置了四個試驗區域，每個試驗區域尺寸為2.4m×4.9m，其中3 個試驗區域用細菌培養液和不同濃度的膠結溶液（尿素和氯化鈣溶液）進行噴灑處理，第四個試驗區域作為對照。Gomez 等設置的微生物礦化實驗場地如圖1 所示。

圖1 Gomez 等設置的微生物礦化實驗場地

一輪微生物礦化處理的流程為一天的細菌改良劑噴灑和三天的膠結劑噴灑。在進行5 輪微生物礦化處理之后，松散砂土表面形成一定厚度的膠結層。微生物礦化處理后形成的膠結層如圖2 所示。

圖2 微生物礦化處理后形成的膠結層

膠結效果最好的一組是用最低的膠結溶液濃度（15g/L 尿素和13.875g/L 氯化鈣）獲得，膠結層最大厚度可達2.54cm。在水流速度為22.7L/min 的沖擊下，膠結層砂土基本不被沖蝕，而未處理的砂土在水的沖擊下沖出了一個小坑。

Gomez 等[4]通過這個現場實驗證明了微生物礦化治理風沙的可行性，且為實際應用提供了很好的經驗。張軍輝等[5]也通過基于尿素水解的微生物礦化技術對沙漠風積沙進行膠結，實驗結果表明有菌組膠結體密實度顯著提高，經細菌礦化膠結處理后的風積沙在保水方面更具優勢。越來越多的研究表明：基于尿素水解的微生物礦化技術可有效用于治理風沙。

雖然利用微生物礦化技術進行沙漠防治是可行的，但如果要對于大面積的沙漠進行微生物礦化處理，則需要大量的菌液，而目前培養細菌菌液的成本較高，因此，微生物礦化技術用于沙漠化防治目前并不經濟。此外，很多學者已經注意到利用尿素水解機制誘導碳酸鈣沉淀會產生副產物銨根離子。殘留在土中的銨根濃度達到一定值時有可能激活土中的氨氧化菌和硝酸細菌[6]發生硝化作用，硝化作用產生的硝酸根離子和氫離子，將降低土中溶液的pH 和碳酸根離子，甚至溶解微生物誘導產生的碳酸鈣晶體，對加固土體的強度和穩定性造成不良的影響。

3 微生物礦化用于荒漠化防治的改進措施

3.1 通過生物激活的方式節省菌液培養的成本

針對細菌培養成本高的缺點，可通過生物激活代替生物添加的方式，降低應用成本。由于土中有許多細菌，其中大多數細菌均含有脲酶，可利用土中原有細菌加入營養液和膠結試劑，從而激活本土細菌誘導碳酸鈣沉淀。生物激活的優勢除了能節省購買菌種的成本外，還有本土細菌更適應環境、存活率更高。李馳等[7]利用沙漠中提取的葡萄球菌和購買的巴氏芽孢桿菌對在內蒙古烏蘭布和沙漠腹地進行了試驗田實驗。現場觀測結果顯示，微生物礦化處理后砂土表面的膠結層平均厚度為2.0～2.5cm，由沙漠本土的葡萄球菌誘導生成的膠結層強度是巴氏芽孢桿菌誘導生成的膠結層強度的1.05 倍。且在膠結處理后210d 再次進行觀察，沙漠本土細菌誘導生成的膠結層的強度和穩定性明顯優于巴氏芽孢桿菌生成的膠結層。李馳等[7]的現場實驗證明了沙漠中的本土細菌用于微生物礦化的可行性和優越性，但實驗仍是通過生物添加的方式進行的，僅證明了用生物激活方式進行微生物礦化的潛在可能性。后續可加強通過生物激活方式的微生物礦化的研究，以降低應用成本、改善膠結效果。

3.2 更環保的沙漠生物防治方法

針對基于尿素水解的微生物礦化會產生副產品銨根離子的缺點，許多學者在尋找不產生或只產生很少量副產品的方法。

通過添加較低濃度的尿素溶液和氯化鈣溶液可降低銨根離子的產量。較低濃度的膠結溶液會使尿素水解速率變慢，銨根離子的生成總量相對降低，水解生成的碳酸根離子會隨溶液滲入砂土更深的位置，從而使沉淀分布更深，膠結范圍更廣，從而獲得更好的膠結效果。相反，使用高濃度的膠結溶液會使微生物在砂土表面迅速形成一層薄膠結層，阻擋了菌液和膠結溶液在砂土中的滲透作用，難以深入砂土深部進行礦化反應，導致膠結效果更差。

也有學者通過微生物礦化聯合荒漠植物種植進行固沙[8]，植物聯合微生物礦化技術固沙如圖3 所示。沙土表面發生微生物礦化反應，使表層砂粒形成膠結層，提高了表層的抗剪強度。同時，植物的根系固化了深層砂土，進一步提高了固沙效果。其中，微生物水解尿素生成的銨根離子可作為植物的肥料，可進一步提高植物的存活率、促進植物的生長，兩者聯合使用使固沙效果比單獨使用微生物礦化的固沙效果提高了4.25%。

圖3 植物聯合微生物礦化技術固沙

Yu 等[9]將基于尿素水解產生的NH3作為生成另一種沉淀所需的原料，通過沉淀的方式固定了下來，降低了微生物礦化技術對地下水的影響。他們將磷酸氫鉀和氯化鎂作為膠結溶液，在微生物水解尿素后在砂土表面生成鎂磷酸銨沉淀（鳥糞石）從而達到膠結砂土的效果，其反應式如下。

通過3 次噴灑即可在砂土表面形成較為致密的鳥糞石沉淀，如圖4 所示。處理后的樣品在風洞試驗中，能有效抵抗風速為12m/s 的風蝕，與礦化生成碳酸鈣沉淀的固沙效果相似。

圖4 砂土表面微生物誘導生成鎂磷酸銨沉淀

以上方法是微生物礦化應用于沙漠化防治的新思路，均減少了基于尿素水解機制生成的副產物銨根離子，使得應用微生物礦化進行沙漠化防治時固沙效果更好的同時對環境的影響更小，值得推廣。

4 結論

（1）微生物礦化技術能應用于沙漠治理，在生物添加的應用方式中，能使砂土表面形成一定厚度的膠結層，能有效抵抗風蝕和水流的沖蝕，是一種有效且環保的治理方法。

（2）沙漠本土細菌更適應環境、存活率更高，可作為微生物礦化的原料。通過直接添加營養液和膠結試劑激活本土細菌進行沙漠防治是具有潛在可能性的，可通過這種方式降低應用的成本。

（3）基于尿素水解的微生物礦化會產生副產物銨根離子，可通過使用較低濃度的膠結溶液來提高膠結效果同時減少銨根離子的生成。也可以通過植物聯合微生物礦化和生成如鳥糞石等其他沉淀，消耗銨根離子以降低對環境的影響，同時提高固沙效果。